FR2964507A1

FR2964507A1 - PROTECTION OF A THIN FILM BATTERY

Info

Publication number: FR2964507A1
Application number: FR1057104A
Authority: FR
Inventors: Frederic Cantin
Original assignee: STMicroelectronics Tours SAS
Current assignee: STMicroelectronics Tours SAS
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2012-03-09
Anticipated expiration: 2030-09-07
Also published as: FR2964507B1; US20120019211A1; CN102403698A; CN102403698B; EP2426807B1; EP2426807A1; US8810204B2

Abstract

L'invention concerne un procédé de protection d'une batterie en couches minces reliée à une charge intermittente comprenant les étapes consistant à faire fonctionner périodiquement la batterie à son courant de décharge maximal, et déconnecter la batterie dès que la tension à ses bornes atteint une valeur de seuil supérieure à sa tension critique pour ledit courant de décharge maximalA method for protecting a thin-film battery connected to an intermittent load comprising the steps of periodically operating the battery at its maximum discharge current, and disconnecting the battery as soon as the voltage at its terminals reaches a maximum threshold value greater than its critical voltage for said maximum discharge current

Description

B10456 - 10-T0-206 1 PROTECTION D'UNE BATTERIE EN COUCHES MINCES Domaine de l'invention La présente invention concerne un système de protection d'une batterie en couches minces. Exposé de l'art antérieur La tension aux bornes d'une batterie en couches minces, à titre d'exemple de type à ions lithium, décroît au cours de son fonctionnement pour atteindre une tension critique en dessous de laquelle la batterie se dégrade de manière irréversible. Il faut donc arrêter de décharger la batterie et la recharger avant qu'elle n'atteigne cette tension critique. On s'intéresse ici à des batteries en couches minces utilisées dans des systèmes à fonctionnement intermittent, par exemple des batteries alimentant des capteurs autonomes qui communiquent périodiquement (régulièrement ou non) des infor- mations. Dans de tels systèmes, des périodes d'activité très courtes alternent avec des périodes d'inactivité, qui peuvent être longues. De plus, la technologie à couches minces employée pour les batteries implique une forte résistance interne de ces batteries par rapport aux autres batteries. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a system for protecting a thin-film battery. BACKGROUND OF THE PRIOR ART The voltage at the terminals of a thin-film battery, for example of lithium-ion type, decreases during its operation to reach a critical voltage below which the battery degrades significantly. irreversible. It is therefore necessary to stop discharging the battery and recharge it before it reaches this critical voltage. We are interested here in thin-film batteries used in intermittent systems, for example batteries supplying autonomous sensors that periodically communicate (regularly or not) information. In such systems, very short periods of activity alternate with periods of inactivity, which can be long. In addition, the thin-film technology used for batteries implies a strong internal resistance of these batteries compared to other batteries.

La figure 1 est un graphique représentant, en fonction du temps t, le courant I fourni par une batterie alimentant un tel capteur. Des pics de courant de forte amplitude (par exemple B10456 - 10-T0-206 FIG. 1 is a graph showing, as a function of time t, the current I supplied by a battery supplying such a sensor. High current peaks (eg B10456 - 10-T0-206

2 mA) et de brève durée, inférieure à une demi milliseconde, sont espacés par de longues périodes, de quelques secondes à plusieurs heures pendant lesquelles le courant a une très faible amplitude (par exemple 0,1 mA). Entre des instant t0 et tl, la 5 charge intermittente est inactive. La charge intermittente est active entre les instants tl et t2 et entre les instants t3 et t4. La non nullité du courant lors des périodes inactives est par exemple due au fait que, pendant ces périodes, la batterie est utilisée pour alimenter un microcontrôleur basse consom- mation. On a proposé des systèmes de protection de batteries, détectant le moment où celles-ci approchent de leur tension critique mais, comme on l'exposera ci-après, ces systèmes ne sont pas adaptés à des batteries en couches minces à fonctionnement intermittent. Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un procédé et un dispositif de protection de batterie, adapté à une batterie en couches minces reliée à une charge à fonctionnement intermittent. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de protection d'une batterie en couches minces reliée à une charge intermittente comprenant les étapes consistant à faire fonctionner périodiquement la batterie à son courant de décharge maximal, et déconnecter la batterie dès que la tension à ses bornes atteint une valeur de seuil supérieure à sa tension critique pour ledit courant de décharge maximal. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le fonctionnement périodique présente un rapport cyclique inférieur à 0,1%. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la durée de chaque phase du fonctionnement périodique est inférieure à 10 ms. 2 mA) and of short duration, less than half a millisecond, are spaced apart for long periods, from a few seconds to several hours during which the current has a very low amplitude (for example 0.1 mA). Between times t0 and t1, the intermittent charge is inactive. The intermittent load is active between times t1 and t2 and between times t3 and t4. The non-nullity of the current during idle periods is for example due to the fact that, during these periods, the battery is used to power a low consumption microcontroller. Battery protection systems have been proposed, detecting when they are approaching their critical voltage but, as will be discussed below, these systems are not suitable for intermittent thin-film batteries. SUMMARY An object of an embodiment of the present invention is to provide a method and a battery protection device adapted to a thin film battery connected to an intermittently operating load. Thus, an embodiment of the present invention provides a method of protecting a thin-film battery connected to an intermittent load comprising the steps of periodically operating the battery at its maximum discharge current, and disconnecting the battery as soon as the voltage at its terminals reaches a threshold value greater than its critical voltage for said maximum discharge current. According to one embodiment of the present invention, the periodic operation has a duty ratio of less than 0.1%. According to one embodiment of the present invention, the duration of each phase of the periodic operation is less than 10 ms.

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3 Selon un mode de réalisation de la présente invention, la période du fonctionnement périodique est inférieure à 10 minutes. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit également un dispositif de protection d'une batterie en couches minces reliée à une charge intermittente comprenant une charge commutable apte à faire fonctionner périodiquement la batterie à son courant de décharge maximal, et un comparateur de tension adapté à comparer la tension aux bornes de la batterie à une valeur de seuil supérieure à la tension critique de la batterie pour ledit courant de décharge maximal. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la charge commutable est commandée par des premiers moyens de commutation dont le rapport cyclique est inférieur à 0,1%. According to one embodiment of the present invention, the period of periodic operation is less than 10 minutes. An embodiment of the present invention also provides a device for protecting a thin-film battery connected to an intermittent charge comprising a switchable charge capable of periodically operating the battery at its maximum discharge current, and a suitable voltage comparator. comparing the voltage across the battery to a threshold value greater than the critical battery voltage for said maximum discharge current. According to one embodiment of the present invention, the switchable load is controlled by first switching means whose duty cycle is less than 0.1%.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premiers moyens de commutation sont adaptés à former un signal en créneaux de largeur inférieure à 10 ms. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premiers moyens de commutation sont adaptés à former un 20 signal dont la période est inférieure à 10 minutes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comprend un condensateur tampon en parallèle sur la charge intermittente. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 25 le dispositif comprend des deuxièmes moyens de commutation disposés entre l'ensemble comprenant la batterie et la charge commutable et l'ensemble comprenant le condensateur tampon et la charge intermittente. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 30 la charge commutable est une source de courant. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif 35 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : B10456 - 10-T0-206 According to one embodiment of the present invention, the first switching means are adapted to form a signal in slots having a width of less than 10 ms. According to an embodiment of the present invention, the first switching means are adapted to form a signal whose period is less than 10 minutes. According to one embodiment of the present invention, the device comprises a buffer capacitor in parallel with the intermittent charge. According to one embodiment of the present invention, the device comprises second switching means arranged between the set comprising the battery and the switchable load and the assembly comprising the buffer capacitor and the intermittent charge. According to one embodiment of the present invention, the switchable load is a current source. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS These and other objects, features, and advantages will be set forth in detail in the following non-limiting description of particular embodiments in connection with the accompanying drawings in which: B10456-10-T0 -206

4 la figure 1 est un graphique représentant un exemple du courant fourni par une batterie alimentant une charge intermittente ; la figure 2 est un graphique représentant la tension 5 aux bornes d'une batterie en fonction de son taux de décharge pour deux valeurs de courant de décharge ; la figure 3 illustre un exemple de montage d'une batterie alimentant une charge intermittente muni d'un système de protection de la batterie ; 10 la figure 4 est un graphique similaire à celui de la figure 2 sur lequel est illustrée l'évolution de la tension aux bornes d'une batterie connectée de la façon illustrée en figure 3 ; la figure 5A est un graphique représentant un exemple 15 du courant fourni par une batterie alimentant une charge intermittente particulière ; et la figure 5B est un graphique similaire à celui de la figure 2 illustrant l'évolution de la tension aux bornes d'une batterie fournissant le courant de la figure 5A. 20 Description détaillée Les inventeurs ont étudié le fonctionnement d'une batterie susceptible de fournir des courants alternativement fort et faible et recherché des solutions pour optimiser l'utilisation d'une telle batterie. 25 La figure 2 est un graphique représentant la tension V aux bornes d'une batterie particulière à ions lithium en fonction de son taux de décharge TD pour deux valeurs du courant de décharge, respectivement 0,1 et 5 mA. Le taux de décharge est nul lorsque la batterie est totalement chargée. Il augmente au 30 cours du fonctionnement de la batterie et ne doit jamais atteindre une valeur maximale sous peine de détérioration irréversible de la batterie. Pour un courant de décharge de 0,1 mA, la tension décroit d'une tension initiale de 4,2 V jusqu'à une tension critique VC1 de 3,6 V. Pour un courant de décharge B10456 - 10-T0-206 Figure 1 is a graph showing an example of the current supplied by a battery supplying an intermittent load; Fig. 2 is a graph showing the voltage across a battery as a function of its discharge rate for two discharge current values; FIG. 3 illustrates an example of mounting a battery supplying an intermittent charge provided with a battery protection system; Fig. 4 is a graph similar to that of Fig. 2 showing the evolution of the voltage across a connected battery as shown in Fig. 3; Fig. 5A is a graph showing an example of the current supplied by a battery supplying a particular intermittent load; and FIG. 5B is a graph similar to that of FIG. 2 illustrating the evolution of the voltage across a battery supplying the current of FIG. 5A. Detailed Description The inventors have studied the operation of a battery capable of supplying alternately high and low currents and sought solutions to optimize the use of such a battery. FIG. 2 is a graph showing the voltage V across a particular lithium ion battery as a function of its discharge rate TD for two values of the discharge current, respectively 0.1 and 5 mA. The discharge rate is zero when the battery is fully charged. It increases during the operation of the battery and should never reach a maximum value under penalty of irreversible damage to the battery. For a discharge current of 0.1 mA, the voltage decreases from an initial voltage of 4.2 V to a critical voltage VC1 of 3.6 V. For a discharge current B10456 - 10-T0-206

de 5 mA, la tension décroit d'une tension initiale de 3,75 V jusqu'à une tension critique VC2 de 3 V. Ainsi, lorsque la batterie est connectée à une charge intermittente dont le courant varie de la façon illustrée en 5 figure 1, le point de fonctionnement suit la courbe Cl en période d'inactivité de la charge et suit la courbe C2 en période d'activité de la charge. Étant donné que la batterie peut avoir de longues périodes d'inactivité, il est possible que le point de fonctionnement se déplace constamment sur la courbe Cl jusqu'au point 1 de cette courbe correspondant à une tension VTH1 légèrement supérieure à la tension VC1. Pour éviter que la batterie ne passe dans un état de détérioration irréversible, il faut déconnecter celle-ci dès que le point 1 est atteint. On est donc amené à comparer en permanence la tension aux bornes de la batterie à une tension de seuil VTH1 légèrement supérieure à VC1 et à assurer une déconnexion dès que le seuil est atteint . Ce choix d'un seuil VTH1 légèrement supérieur à VC1 présente un inconvénient majeur pour la batterie quand elle fonctionne à son courant de décharge maximal. Si, en période d'activité de la charge, la batterie se décharge à partir d'un point 3 de la courbe C2, dès que l'on atteint un point 4 correspondant à la tension VTH1, la batterie est déconnectée. De même, si la batterie est à un point de fonctionnement 5 de la courbe Cl, et que la charge produit un appel de courant qui devrait faire passer le point de fonctionnement au point 6 de la courbe C2, la batterie est déconnectée puisque la tension aux bornes de la batterie, pour le point 6, serait inférieure à VTH1. Ainsi, pour un fonctionnement à courant maximal, la batterie est déconnectée au niveau du point 4 alors qu'elle contient encore une grande quantité d'énergie. On ne peut jamais atteindre le point 7 de la courbe C2 correspondant à une tension VTH2 légèrement supérieure à la tension critique VC2 pour ce mode de fonctionnement. La figure 3 illustre un exemple de montage d'une 35 batterie alimentant une charge intermittente, ce montage étant B10456 - 10-T0-206 at 5 mA, the voltage decreases from an initial voltage of 3.75 V to a critical voltage VC2 of 3 V. Thus, when the battery is connected to an intermittent load whose current varies as shown in FIG. 1, the operating point follows the curve C1 during the period of inactivity of the load and follows the curve C2 during the activity of the load. Since the battery may have long periods of inactivity, it is possible that the operating point constantly moves on the curve C1 to point 1 of this curve corresponding to a voltage VTH1 slightly higher than the voltage VC1. To prevent the battery from going into a state of irreversible deterioration, it must be disconnected as soon as point 1 is reached. It is therefore necessary to constantly compare the voltage across the battery at a threshold voltage VTH1 slightly greater than VC1 and to ensure disconnection as soon as the threshold is reached. This choice of a threshold VTH1 slightly higher than VC1 has a major disadvantage for the battery when it operates at its maximum discharge current. If, during the period of charge activity, the battery discharges from a point 3 of the curve C2, as soon as a point 4 corresponding to the voltage VTH1 is reached, the battery is disconnected. Similarly, if the battery is at an operating point 5 of the curve C1, and the load produces a current draw which should move the operating point to point 6 of the curve C2, the battery is disconnected since the voltage at the battery terminals, for point 6, would be less than VTH1. Thus, for maximum current operation, the battery is disconnected at point 4 while it still contains a large amount of energy. One can never reach the point 7 of the curve C2 corresponding to a voltage VTH2 slightly greater than the critical voltage VC2 for this mode of operation. FIG. 3 illustrates an example of mounting a battery supplying an intermittent charge, this mounting being B10456-10-T0-206.

6 muni d'un système de protection de la batterie. Une batterie 11 alimente une charge intermittente 12. Un comparateur de tension 13 compare la tension aux bornes de la batterie à un seuil VTH Ce comparateur est relié à la borne de commande d'un interrupteur SW1 dont une première borne est connectée à la batterie 11 et une seconde borne à un noeud 15. Le noeud 15 est relié par un interrupteur SW2 à une charge 16, ci-après appelée charge commutable, et par un interrupteur SW3 à une première borne d'un condensateur tampon 17 et à la charge 12. 6 equipped with a battery protection system. A battery 11 supplies an intermittent charge 12. A voltage comparator 13 compares the voltage across the battery to a threshold VTH This comparator is connected to the control terminal of a switch SW1 whose first terminal is connected to the battery 11 and a second terminal at a node 15. The node 15 is connected by a switch SW2 to a load 16, hereinafter called switchable load, and by a switch SW3 to a first terminal of a buffer capacitor 17 and to the load 12 .

Le montage illustré en figure 3 est prévu pour fonctionner selon l'un ou l'autre de deux modes. Ces deux modes se succèdent périodiquement jusqu'à la déconnexion de la batterie 11. Dans un premier mode, les interrupteurs SW1 et SW3 sont fermés et l'interrupteur SW2 est ouvert. En période inactive de la charge 12, la batterie 11 charge brièvement le condensateur tampon 17 puis alimente un microcontrôleur (non représenté) sous un courant de 0,1 mA. En période active de la charge 12, la batterie 11 et le condensateur tampon 17 alimentent la charge 12, le condensateur étant dimensionné pour fournir l'essentiel du courant pic à la charge et limiter le pic de courant demandé à la batterie (ici à 5 mA). C'est la forte résistance interne de la batterie qui empêcherait celle-ci de fournir un courant plus fort. The assembly illustrated in FIG. 3 is designed to operate according to one or the other of two modes. These two modes follow each other periodically until the disconnection of the battery 11. In a first mode, the switches SW1 and SW3 are closed and the switch SW2 is open. In the idle period of the load 12, the battery 11 briefly charges the buffer capacitor 17 and then supplies a microcontroller (not shown) under a current of 0.1 mA. In the active period of the load 12, the battery 11 and the buffer capacitor 17 supply the load 12, the capacitor being sized to supply the bulk of the peak current to the load and to limit the current peak demanded from the battery (here at 5). my). It is the strong internal resistance of the battery that would prevent it from providing a stronger current.

Dans un second mode, dit de fonctionnement forcé, l'interrupteur SW1 est fermé, l'interrupteur SW2 est brièvement fermé et l'interrupteur SW3 brièvement ouvert. La charge commutable 16 force la batterie à fonctionner à son courant de décharge maximal de 5 mA. Dans une période d'activité, la charge 12 reste alimentée par le condensateur tampon 17. La figure 4 est un graphique similaire à celui de la figure 2 sur lequel est illustrée l'évolution de la tension aux bornes d'une batterie connectée dans un montage du type de celui de la figure 3 dont la charge intermittente 12 présente une activité correspondant au courant illustré en figure 1. In a second mode, called forced operation, the switch SW1 is closed, the switch SW2 is briefly closed and the switch SW3 briefly opened. The switchable load 16 forces the battery to operate at its maximum discharge current of 5 mA. In a period of activity, the charge 12 remains powered by the buffer capacitor 17. FIG. 4 is a graph similar to that of FIG. 2 on which is illustrated the evolution of the voltage at the terminals of a battery connected in a mounting of the type of that of Figure 3, the intermittent load 12 has an activity corresponding to the current shown in Figure 1.

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7 A un instant initial t0, la batterie 11 est totalement chargée et la tension à ses bornes est de 4,2 V. En effet le courant de décharge est de 0,1 mA puisque la charge 12 n'est pas active, comme cela est illustré en figure 1. Les interrupteurs SW1 et SW3 sont fermés, l'interrupteur SW2 ouvert. Le condensateur 17 se charge et la tension aux bornes de la batterie décroit selon la courbe Cl. A un instant t11, l'interrupteur SW2 est brièvement fermé tandis que l'interrupteur SW3 est ouvert. L'interrupteur SW1 reste fermé. La charge 16 force la batterie 11 à fonctionner à 5 mA. La tension aux bornes de la batterie 11 chute verticalement du point A de la courbe Cl jusqu'au point B de la courbe C2. On se déplace ensuite sur la courbe C2 du point B au point C correspondant à un instant t12. A l'instant t12, l'interrupteur SW2 est ouvert et l'interrupteur SW3 est fermé. La charge 12 étant inactive, la valeur du courant de décharge de la batterie 11 passe de 5 mA à o, l mA, du point C de la courbe C2 au point D de la courbe Cl. Ce bref aller et retour entre les courbes Cl et C2 de la tension aux bornes de la batterie est réitéré à des instants t13 et t15. Les instants t11, t13 et t15 sont de préférence régulièrement espacés. Les intervalles de temps t11 à t12, t13 à t14 et t15 à t16, durant lesquels la charge 16 force le fonctionnement de la batterie 11 à un courant de décharge de 5 mA sont brefs et de préférence égaux. A l'instant t1, défini en figure 1, la charge intermittente 12 entre en activité. Le courant fourni par la batterie 11 passe de 0,1 mA à 5 mA. Le point de fonctionnement passe du point E de la courbe Cl au point F de la courbe C2. 7 At an initial time t0, the battery 11 is fully charged and the voltage at its terminals is 4.2 V. In fact the discharge current is 0.1 mA since the load 12 is not active, as this is shown in FIG. 1. The switches SW1 and SW3 are closed, the switch SW2 open. The capacitor 17 is charged and the voltage across the battery decreases according to the curve C1. At a time t11, the switch SW2 is briefly closed while the switch SW3 is open. The switch SW1 remains closed. The load 16 forces the battery 11 to operate at 5 mA. The voltage across the battery 11 drops vertically from point A of curve C1 to point B of curve C2. We then move on the curve C2 from point B to point C corresponding to a time t12. At time t12, the switch SW2 is open and the switch SW3 is closed. Since the charge 12 is inactive, the value of the discharge current of the battery 11 goes from 5 mA to 0.1 mA, from the point C of the curve C2 to the point D of the curve C1. This short round trip between the curves Cl and C2 of the voltage across the battery is reiterated at times t13 and t15. The instants t11, t13 and t15 are preferably regularly spaced. Time intervals t11 to t12, t13 to t14 and t15 to t16, during which charge 16 forces the battery 11 to operate at a discharge current of 5 mA are brief and preferably equal. At time t1, defined in FIG. 1, the intermittent charge 12 enters into activity. The current supplied by the battery 11 goes from 0.1 mA to 5 mA. The operating point moves from the point E of the curve C1 to the point F of the curve C2.

Entre les instants t1 et t2, le courant fourni par la batterie est égal à 5 mA. Le point de fonctionnement passe du point F au point G de la courbe C2. A l'instant t2, le courant fourni par la batterie 11 passe de 5 mA à 0,1 mA. Le point de fonctionnement passe du point G au point H de la courbe Cl. Between instants t1 and t2, the current supplied by the battery is equal to 5 mA. The operating point moves from point F to point G of curve C2. At time t2, the current supplied by the battery 11 goes from 5 mA to 0.1 mA. The operating point moves from point G to point H of curve C1.

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8 Puisque la charge 16 amène périodiquement la batterie à un fonctionnement forcé à un courant de décharge de 5 mA, des itérations de ce fonctionnement forcé sont susceptibles de se produire entre les instants tl et t2. Dans l'exemple représenté une première itération se produit sensiblement à l'instant tl et se termine à un instant t17, et une seconde débute à un instant t18 et se termine à un instant t19. Comme on l'a vu précédemment ces itérations n'ont pas d'influence sur l'alimentation de la charge 12 en raison de la présence du condensateur tampon 17. Since load 16 periodically brings the battery to forced operation at a discharge current of 5 mA, iterations of this forced operation are likely to occur between times t1 and t2. In the example shown a first iteration occurs substantially at time t1 and ends at a time t17, and a second starts at a time t18 and ends at a time t19. As we have seen above these iterations have no influence on the supply of the load 12 due to the presence of the buffer capacitor 17.

Après l'instant t2, la charge 12 reste inactive, le point de fonctionnement de la batterie se déplace sur la courbe Cl hormis durant les intervalles de temps de t20 à t21 et de t22 à t23. Ces intervalles de temps correspondent à deux itérations du fonctionnement forcé. After time t2, the load 12 remains inactive, the operating point of the battery moves on the curve C1 except during the time intervals of t20 to t21 and t22 to t23. These time intervals correspond to two iterations of forced operation.

A un instant t24, une nouvelle itération du fonctionnement forcé débute. La batterie 11 tente alors de fonctionner à un courant de décharge de 5 mA. Le point de fonctionnement ne peut passer d'un point I de la courbe Cl à un point de la courbe C2, sans que la tension aux bornes de la batterie ne devienne inférieure à une tension VTH2 légèrement supérieure à VC2. La décharge de la batterie est interrompue en ouvrant l'interrupteur SW1 dès que la tension aux bornes de la batterie est égale à la tension VTH2- Il est à noter que, dans notre exemple des batteries à couches minces pour capteurs autonomes, un système de récupération d'énergie (de chaleur, de vibration, de rayonnement, de lumière) vient charger la batterie de façon intermittente (quand la source d'énergie est disponible). C'est ce système (non représenté ici) qui reconnecte automatiquement la batterie qui s'est mise en sécurité à l'instant t24, quand la source d'énergie est à nouveau disponible. Cette reconnexion automatique ne met pas en danger la batterie déchargée en t24 car l'apport d'énergie ne peut que faire monter sa tension, et l'éloigner du seuil VTH2- B10456 - 10-T0-206 At a time t24, a new iteration of the forced operation begins. The battery 11 then attempts to operate at a discharge current of 5 mA. The operating point can not move from a point I of the curve C1 to a point of the curve C2, without the voltage at the terminals of the battery becoming less than a voltage VTH2 slightly greater than VC2. The discharge of the battery is interrupted by opening the SW1 switch as soon as the voltage at the battery terminals is equal to the voltage VTH2- It should be noted that, in our example of the thin-film batteries for autonomous sensors, a system of energy recovery (heat, vibration, radiation, light) charges the battery intermittently (when the power source is available). It is this system (not shown here) that automatically reconnects the battery that has become secure at time t24, when the power source is available again. This automatic reconnection does not endanger the battery discharged in t24 because the supply of energy can only raise its voltage, and away from the threshold VTH2- B10456 - 10-T0-206

9 Ainsi, on prévoit ici, de soumettre une batterie à des itérations répétées de fonctionnement à fort courant et de choisir comme tension de seuil VTH, une valeur VTH2 légèrement supérieure à la tension critique VC2 correspondant à un fonctionnement à fort courant. Ce choix d'un seuil VTH2 supérieur à VC2 présente un avantage majeur pour la batterie quand elle fonctionne à son courant de décharge maximal. En effet, la batterie est déconnectée seulement au point de fonctionnement 7, c'est-à-dire lorsque l'intégralité de l'énergie disponible dans la batterie pour un courant de 5 mA a été utilisée. La périodicité du fonctionnement forcé est choisie courte de sorte que le point I susmentionné ne soit pas très éloigné du point 8 de la courbe Cl, situé à la verticale du point 7 de la courbe C2, et de sorte que ce point I soit très éloigné du point extrême de la courbe Cl correspondant à la tension critique à faible courant. Dans l'exemple illustré en figure 4, la batterie peut fournir un courant de 0,1 mA pendant plus d'une heure lorsque le point de fonctionnement se déplace sur la courbe Cl du point 8 au point extrême. On ne risque pas d'atteindre ce point extrême si la périodicité du fonctionnement forcé est choisie largement inférieure à une heure, par exemple de l'ordre d'une dizaine de minutes. De plus la durée du fonctionnement forcé sera choisie 25 brève afin de minimiser la consommation électrique induite par les nombreuses itérations du fonctionnement forcé. La figure 5A représente un exemple de l'allure du courant I en fonction du temps t, liée au couplage d'une batterie et d'une source intermittente particulière. 30 Entre des instants t30 et t31, la charge est inactive. A partir de l'instant t31, cinq impulsions de courant d'une durée de 0,2 s chacune sont espacés de 0,3 s. Puis, jusqu'à un instant t32 égal à t31 plus deux heures, le courant reste bas. A l'instant t32 et à des instants ultérieurs t33=t32+2h et 35 t34=t33+2h débutent des nouveaux groupes de cinq impulsions B10456 - 10-T0-206 Thus, it is provided here, to subject a battery to repeated iterations of high current operation and to choose as VTH threshold voltage VTH2 slightly higher than the critical voltage VC2 corresponding to a high current operation. This choice of a threshold VTH2 greater than VC2 has a major advantage for the battery when it operates at its maximum discharge current. Indeed, the battery is disconnected only at the operating point 7, that is to say when all the energy available in the battery for a current of 5 mA has been used. The periodicity of the forced operation is chosen short so that the above-mentioned point I is not very far from point 8 of the curve C1, located vertically from point 7 of curve C2, and so that point I is very far away the end point of the curve C1 corresponding to the critical voltage at low current. In the example illustrated in FIG. 4, the battery can supply a current of 0.1 mA for more than one hour when the operating point moves on the curve C1 from point 8 to the extreme point. It is not likely to reach this extreme point if the periodicity of the forced operation is chosen much less than one hour, for example of the order of ten minutes. In addition, the duration of forced operation will be chosen briefly in order to minimize the power consumption induced by the many iterations of forced operation. FIG. 5A shows an example of the shape of current I as a function of time t, linked to the coupling of a battery and a particular intermittent source. Between times t30 and t31, the load is inactive. From instant t31, five current pulses with a duration of 0.2 s each are spaced 0.3 s. Then, up to a time t32 equal to t31 plus two hours, the current remains low. At time t32 and at subsequent times t33 = t32 + 2h and t34 = t33 + 2h start new groups of five pulses B10456 - 10-T0-206

10 identiques à celles correspondant à l'instant tl. Entre les impulsions de courant de 5 mA, le courant est égal à 0,1 mA. La figure 5B est un graphique similaire à celui de la figure 2 sur lequel est illustrée l'évolution de la tension aux bornes d'une batterie connectée à la charge intermittente pour laquelle le courant est décrit en figure 5A. Entre les instants t30 et t31, le point de fonctionnement de la batterie passe d'un point 21 à un point 22 de la courbe Cl correspondant à l'instant. 10 identical to those corresponding to time tl. Between the current pulses of 5 mA, the current is equal to 0.1 mA. Figure 5B is a graph similar to that of Figure 2 on which is illustrated the evolution of the voltage across a battery connected to the intermittent load for which the current is described in Figure 5A. Between instants t30 and t31, the point of operation of the battery goes from a point 21 to a point 22 of the curve C1 corresponding to the moment.

Le point de fonctionnement tend alors à passer du point 22 de la courbe Cl à un point 23 de la courbe C2. Avec le procédé selon lequel la tension de seuil est choisie égale à VTH1, il est impossible d'atteindre ce point 23, qui se trouve à droite du point 4 décrit en relation avec la figure 2. La batterie est déconnectée au point 23 sans avoir jamais alimenté la charge intermittente, alors qu'elle contient encore de l'énergie. Pour que la batterie alimente la charge intermittente avec un courant de 5 mA, il eut fallu que l'instant tl précède un instant tml correspondant au point 4 de la courbe C2 pour lequel la tension aux bornes de la batterie est égale à VTH1- Par contre, si on prévoit de la façon décrite ci-dessus des phases de fonctionnement forcé et une tension de seuil égale à VTH2, le fonctionnement de la batterie peut se poursuivre. Le point de fonctionnement de la batterie effectue cinq allers et retours (non représentés) entre la courbe Cl et la courbe C2 correspondant aux cinq impulsions de courant de 5 mA. Puis le point de fonctionnement de la batterie suit la courbe Cl jusqu'à un point 24 correspondant à l'instant t32. Aux instants t32 et t33, le point de fonctionnement de la batterie réalise à nouveau cinq allers et retours entre la courbe Cl et la courbe C2. A l'instant t4, le point de fonctionnent de la batterie ne peut pas passer sur la courbe C2 car on se trouve alors nettement à droite du point 7 susmentionné et la batterie aura été déconnectée. The operating point then tends to move from point 22 of the curve C1 to a point 23 of the curve C2. With the method according to which the threshold voltage is chosen equal to VTH1, it is impossible to reach this point 23, which is to the right of the point 4 described in relation to FIG. 2. The battery is disconnected at point 23 without having never fed the intermittent charge, while it still contains energy. In order for the battery to supply the intermittent charge with a current of 5 mA, it was necessary for the instant t1 to precede a time tml corresponding to point 4 of the curve C2 for which the voltage at the terminals of the battery is equal to VTH1. however, if forced operating phases and a threshold voltage equal to VTH2 are provided in the manner described above, operation of the battery can continue. The operating point of the battery performs five round trips (not shown) between the curve C1 and the curve C2 corresponding to the five current pulses of 5 mA. Then the operating point of the battery follows the curve C1 to a point 24 corresponding to the instant t32. At times t32 and t33, the operating point of the battery returns five trips back and forth between the curve C1 and the curve C2. At time t4, the operating point of the battery can not pass on the curve C2 because it is then clearly to the right of point 7 above and the battery has been disconnected.

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11 Dans ce cas, la batterie alimente la charge intermittente durant 3 groupes de 5 impulsions de courant. La batterie est déconnectée seulement lorsque l'intégralité de l'énergie disponible pour un courant de 5 mA a été utilisée. In this case, the battery feeds the intermittent load for 3 groups of 5 current pulses. The battery is disconnected only when all available energy for a current of 5 mA has been used.

Bien entendu, la présente invention est susceptible de nombreuses variantes. La batterie n'est pas nécessairement une batterie à ions lithium ni même à couches minces. Le système de protection de batterie proposé ici s'applique à toute batterie à forte impédance interne dont la décharge a l'allure illustrée en figure 2 et qui présente une tension critique en deçà de laquelle peut se produire une dégradation irréversible. La batterie peut ne pas être déconnectée immédiatement lorsque la valeur de seuil est atteinte. Elle peut, par exemple, alimenter un avertisseur sonore ou visuel indiquant qu'elle doit être rechargée. La charge commutable peut être une source de courant, et plus particulièrement un miroir de courant. Le condensateur tampon, qui a pour fonction d'ali- menter la charge intermittente durant le fonctionnement forcé, et de limiter la valeur du courant de décharge maximal de la batterie pendant les périodes d'activité de la charge intermittente, peut avoir une capacité de quelques centaines de microfarads. Ce condensateur tampon est optionnel si aucune itération du fonctionnement forcé ne coïncide avec les périodes d'activité de la charge intermittente, et si le pic de courant appelé par la charge n'excède pas celui que peut fournir la batterie seule. Il peut également être remplacé par toute source d'énergie ayant les mêmes fonctions. Of course, the present invention is capable of many variants. The battery is not necessarily a lithium ion battery or even thin-film battery. The battery protection system proposed herein applies to any battery with a high internal impedance whose discharge has the appearance illustrated in Figure 2 and which has a critical voltage below which irreversible degradation can occur. The battery may not be disconnected immediately when the threshold value is reached. It can, for example, power a buzzer or visual indicating that it must be recharged. The switchable load can be a current source, and more particularly a current mirror. The buffer capacitor, whose function is to supply the intermittent charge during forced operation, and to limit the value of the maximum discharge current of the battery during periods of intermittent charge activity, may have a capacitance of a few hundred microfarads. This buffer capacitor is optional if no iteration of the forced operation coincides with the periods of activity of the intermittent load, and if the peak of current called by the load does not exceed that which the battery alone can provide. It can also be replaced by any energy source having the same functions.

La valeur du courant de décharge maximal, la durée et la périodicité du fonctionnement forcé seront choisies par l'homme de l'art en fonction des performances désirées du système de protection de la batterie. The value of the maximum discharge current, the duration and the periodicity of the forced operation will be chosen by those skilled in the art according to the desired performance of the battery protection system.

Claims

REVENDICATIONS1. A method of protecting a thin-film battery connected to an intermittent load (12) comprising the steps of periodically operating the battery (11) at its maximum discharge current, and disconnecting the battery (11) as soon as the voltage is reached. at its terminals reaches a threshold value (VTH2) greater than its critical voltage (VC2) for said maximum discharge current.

2. Method according to the preceding claim, wherein the periodic operation has a duty cycle of less than 0.1%.

3. The method of claim 1 or 2, wherein the duration of each phase of the periodic operation is less than 10 ms. 15

The method of any one of claims 1 to 3, wherein the period of periodic operation is less than 10 minutes.

5. A device for protecting a thin-film battery connected to an intermittent load (12) comprising: a switchable load (16) adapted to periodically operate the battery (11) at its maximum discharge current, and a comparator of voltage (13) adapted to compare the voltage across the battery to a threshold value (VTH2) greater than the battery critical voltage (VC2) for said maximum discharge current.

6. Device according to claim 5, wherein the switchable load (16) is controlled by first switching means (SW2) whose duty cycle is less than 0.1%. 30

7. Device according to claim 6 wherein the first switching means are adapted to form a slotted signal with a width of less than 10 msB10456 - 10-T0-206 13

8. Device according to claim 6 or 7, wherein the first switching means are adapted to form a signal whose period is less than 10 minutes.

9. Device according to claim 5, comprising a buffer capacitor (17) in parallel with the intermittent charge (12).

10. Device according to claim 9, comprising second switching means (SW3) arranged between the assembly comprising the battery (11) and the switchable load (16) and the assembly comprising the buffer capacitor (17) and the intermittent charge. (12).

11. Device according to any one of claims 5 to 10, wherein the switchable load (16) is a current source.